[논문 리뷰] Evolution of the Fermi surface of the nematic superconductors FeSe1-xSx

A. I. Coldea, SF Blake외 14명|Oxford University Research Archive (ORA) (University of Oxford)|2016. 11. 22.

Iron-based superconductors research인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 저온에서 고자기장(최대 45 T)을 이용한 고주파 양자 진동을 통해 FeSe₁₋ₓSₓ에서의 페르미 표면과 준입자 성질의 진화를 조사한다. 황화물 치환에 의한 화학적 압력이 페르미 표면 크기를 단조롭게 증가시키며, 특히 외부 밴드에서 궤도에 따라 달라지는 질량 재정렬이 발생함을 밝혀내는데, 이는 dxy 궤도 풍선에서 강화되고 dxz/yz에서 감소함을 의미한다. 이와 동시에 초전도성은 감소하며, 이는 고Tc 초전도성에서 비대칭성의 존재가 필수적이지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the evolution of the Fermi surfaces and electronic interactions across the nematic phase transition in single crystals of FeSe1-xSx using Shubnikov-de Haas oscillations in high magnetic fields up to 45 tesla in the low temperature regime. The unusually small and strongly elongated Fermi surface of FeSe increases monotonically with chemical pressure, x, due to the suppression of the in-plane anisotropy except for the smallest orbit which suffers a Lifshitz-like transition once nematicity disappears. Even outside the nematic phase the Fermi surface continues to increase, in stark contrast to the reconstructed Fermi surface detected in FeSe under applied external pressure. We detect signatures of orbital-dependent quasiparticle mass renomalization suppressed for those orbits with dominant dxz=yz character, but unusually enhanced for those orbits with dominant dxy character. The lack of enhanced superconductivity outside the nematic phase in FeSe1-xSx suggest that nematicity may not play the essential role in enhancing Tc in these systems.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 조건에서 FeSe₁₋ₓSₓ의 비대칭 양자상전이 영역에서의 페르미 표면과 전자 상호작용의 진화를 탐구하기 위해 고자기장을 활용한다.
• 황화물 치환에 의한 화학적 압력이 페르미 표면의 기하학적 구조와 준입자 질량에 미치는 영향을 규명한다.
• 철계 초전도체에서 비대칭 질서가 초전도 전이 온도(Tc)를 향상시키는 데 기여하는지 평가한다.
• FeSe₁₋ₓSₓ에서의 화학적 압력 효과를 FeSe에서의 수소압력과 비교하여, 페르미 표면 재구성과 Tc 향상 측면에서의 유사성과 차이를 분석한다.
• 궤도 선택적 상호작용과 리프시츠 전이가 전자 상경쟁에서 핵심적인 역할을 하는지 조사한다.

제안 방법

• 단일 결정 FeSe₁₋ₓSₓ를 사용하여 0.3 K의 낮은 온도에서 최대 45 T의 자기장에서 셰브니코프-데 하아스 양자 진동 측정을 실시하였다.
• 국립 고자기장 실험실(NHMFL)과 고자기장 자석 실험실(HFML)에서 ³He 냉각 시스템을 활용해 자화도 측정을 수행하였다.
• 진동하는 저항도 데이터에서 주파수 스펙트럼을 추출하기 위해 빠른 푸리에 변환(FFT)과 최대 엔트로피 방법(MEM)을 사용하였다.
• 이전의 밴드 구조 연구를 바탕으로, 계산된 테트라고날 상의 페르미 표면을 150 meV 이상 감소시켜 페르미 표면 극값 면적을 매핑하였다.
• 관측된 양자 진동 주파수와 궤도 성질(dxy, dxz/yz) 간의 상관관계를 분석하여 궤도에 따라 달라지는 준입자 질량 재정렬을 유추하였다.
• 페르미 표면 단면에 대한 선형 외삽을 수행하여 x ≈ 1(FeS) 근처의 거동을 추정하고 이론 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 황화물 치환에 의한 화학적 압력이 FeSe₁₋ₓSₓ의 페르미 표면 기하학적 구조에 비대칭 상전이 영역에서 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 궤도 선택적 준입자 질량 재정렬이 FeSe₁₋ₓSₓ의 전자적 성질에 미치는 역할은 무엇이며, 이는 x의 변화에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 화학적 압력에 의한 비대칭성의 억제가 FeSe에서 관찰된 수소압력 조건과 유사한 페르미 표면 재구성 현상을 유도하는가?
• RQ4 압력 하에서 고Tc 초전도성이 관찰되는 것과 관련하여 비대칭 질서가 FeSe 기반 시스템에서 Tc 향상에 필수적인가?
• RQ5 궤도에 따라 달라지는 상호작용과 잠재적인 리프시츠 전이가 FeSe₁₋ₓSₓ의 전자 상도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• FeSe₁₋ₓSₓ의 페르미 표면은 비대칭 상전이 영역을 넘어가도 황소 농도 x의 증가에 따라 단조롭게 팽창하며, 수소압력 조건에서 관찰되는 재구성된 페르미 표면과는 대조된다.
• 주로 dxy 궤도 성질을 지닌 외부 전자 밴드에서는 x 증가에 따라 준입자 질량 재정렬이 강화되며, 특히 비대칭 상이 없는 영역에서 두드러진다.
• 혼합된 dxz/yz 궤도 성질을 지닌 외부 구멍 밴드에서는 x 증가에 따라 준입자 질량 재정렬이 감소함을 확인하여 궤도 선택적 상호작용이 존재함을 시사한다.
• 가장 작은 페르미 표면 궤도에서 리프시츠 유사 전이가 관측되었으며, 이는 비대칭성의 소멸과 관련된 페르미 표면의 위상적 변화를 나타낸다.
• 페르미 표면 크기의 지속적 증가와 궤도에 따라 달라지는 상호작용에도 불구하고 초전도성 Tc는 x 증가에 따라 감소함을 확인하여, 비대칭성이 고Tc 초전도성의 주요 원인은 아님을 시사한다.
• FeSe₁₋ₓSₓ에서의 페르미 표면 진화는 10 kbar 이하의 저압 조건에서 FeSe의 진화와 유사함을 보이며, 이는 고압 조건에서의 고Tc 초전도성이 비대칭 상태와 분리되어 새로운 구조적 또는 자성 상에 의해 유도될 수 있음을 시사한다.